DE102007010768B4 - Method for optimizing valve position and pump speed in a valve system with PID control without the use of external signals - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt einen Algorithmus bereit, der mit Durchflussbezugsdaten arbeitet, die in Abhängigkeit von verschiedenen Pumpen- und Motorparametern wie Drehzahl, Drehmoment oder Leistung oder aus kalibrierten Durchflusskurven, die in einem Auswertungsgerät gespeichert sind, oder aus einer externen Durchflussbezugseinheit wie einem Durchflussmesser mathematisch bestimmt werden können. Sobald das Ventil mit PID-Regelung seinen statischen Zustand erreicht hat, wird ein berechneter Durchflusswert erfasst und mit dem aktuellen Durchflusswert, der nach dem Sinken der Frequenz (Drehzahl) des Frequenzumrichterantriebs erhalten wird, verglichen. Die Ventilstellung wird kurz vor der Drehzahlschwelle, bei der die Durchflussbedingung des Algorithmus nicht mehr wahr ist, optimiert.The present invention provides an algorithm that works with flow reference data that mathematically determines depending on various pump and motor parameters such as speed, torque or power or from calibrated flow curves stored in an evaluation device or from an external flow reference unit such as a flow meter can be. As soon as the valve with PID control has reached its static state, a calculated flow value is recorded and compared with the current flow value, which is obtained after the frequency (speed) of the frequency converter drive has decreased. The valve position is optimized shortly before the speed threshold, at which the flow condition of the algorithm is no longer true.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe einschließlich einer Kreiselpumpe, genauer auf ein Verfahren und Vorrichtungen zum Optimieren der Ventilstellung und der Pumpendrehzahl in einem Ventilsystem mit PID-Regelung ohne die Verwendung externer Signale.The present invention relates to a pump including a centrifugal pump, more particularly to a method and apparatus for optimizing valve position and pump speed in a PID controlled valve system without the use of external signals.
Die
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In der
Im weitesten Sinn weist die vorliegende Erfindung ein Verfahren und Vorrichtungen auf zum Bestimmen von Durchflussbezugsdaten in Abhängigkeit von verschiedenen Pumpen- und Motorparametern wie Drehzahl, Drehmoment oder Leistung oder aus kalibrierten Durchflusskurven, die in einem Auswertungsgerät gespeichert sind, oder aus einer externen Durchflussbezugseinheit wie einem Durchflussmesser, und zum Verwenden der Durchflussbezugsdaten mit dem Ziel, eine Kreiselpumpe, ein Radialgebläse, einen Kreiselmischer oder einen Radialverdichter in einem Ventilsystem mit PID-Regelung zu regeln. Die Vorrichtung kann als ein Regler oder ein sonstiges geeignetes verarbeitendes Gerät zum Regeln des Betriebes der Pumpe ausgeführt sein.In the broadest sense, the present invention has a method and apparatus for determining flow reference data in response to various pump and motor parameters, such as speed, torque or power, or from calibrated flow curves stored in an analyzer or from an external flow reference unit, such as a flow meter , and for using the flow reference data to control a centrifugal pump, a radial fan, a centrifugal mixer or a centrifugal compressor in a PID control valve system. The device may be implemented as a regulator or other suitable processing device for controlling the operation of the pump.
Die vorliegende Erfindung überwindet also Nachteile der oben erwähnten Geräte nach dem Stand der Technik für Pumpsysteme, die mit einer PID-Regelventillogik den Prozess steuern, in welchem der Eingang von Ventildaten/stellung oder sonstiger externer Signale nicht wünschenswert ist. Der Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet mit Durchflussbezugsdaten, die in Abhängigkeit von den verschiedenen Pumpen- und Motorparametern wie Drehzahl, Drehmoment oder Leistung oder aus kalibrierten Durchflusskurven, die im Auswertungsgerät gespeichert sind, oder aus der externen Durchflussbezugseinheit wie einem Durchflussmesser mathematisch bestimmt werden können.The present invention thus overcomes shortcomings of the prior art devices mentioned above for pumping systems which, with PID control valve logic, control the process in which the input of valve data / position or other external signals is undesirable. The algorithm according to the present invention operates with flow reference data that may be mathematically determined depending on the various pump and motor parameters such as speed, torque or power, or on calibrated flow curves stored in the analyzer or on the external flow reference unit such as a flow meter.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können eines oder mehr der folgenden Merkmale aufweisen: Sobald das Ventil mit PID-Regelung seinen statischen Normalzustand erreicht hat, kann ein berechneter Durchflusswert erfasst und mit dem aktuellen Durchflusswert, der nach dem Sinken der Frequenz (Drehzahl) des Frequenzumrichterantriebs erhalten wird, verglichen werden. Bei Druckregelungsanwendungen kann die Ventilstellung optimiert werden, falls der aktuelle Durchfluss innerhalb von 90–110% des optimalen Durchflusses der Pumpe bei aktueller Drehzahl liegt. Eine abschließende Prüfung kann bei einem weit geöffneten Regelventil durchgeführt werden, indem die Pumpendrehzahl um einen eingestellten Betrag erhöht wird und der aktuelle Durchflusswert mit einem abgespeicherten Durchflusswert verglichen wird; steigt der Durchfluss nicht, so ist die Ventilstellung optimiert. Wenn der Regler bereits seinen optimierten Zustand erreicht hat und entweder das tatsächliche Motordrehmoment um 5% oder mehr steigt oder der tatsächliche Durchfluss länger als die Verzögerungszeit um 5% oder mehr steigt, kann der Ventiloptimierungsprozess bei maximaler Drehzahl neu gestartet werden. Alternativ dazu kann, wenn der Regler bereits seinen optimierten Zustand erreicht hat und entweder das tatsächliche Motordrehmoment um 5% oder mehr sinkt oder der tatsächliche Durchfluss um 5% oder mehr sinkt, der Ventiloptimierungsprozess beim aktuellen Betriebspunkt neu gestartet werden. Eine vorn Benutzer auswählbare, sekundäre Prüfung bei einem weit geöffneten Ventil kann durchgeführt werden, ob eine Änderung des tatsächlichen Motordrehmoments 2% oder mehr, aber weniger als 5% des optimierten Zustandes für die Dauer der Ansprechverzögerung beträgt; ist diese Bedingung wahr und ist der tatsächliche Durchfluss größer als der optimierte Durchflusswert nach einer Änderung der Drehzahl um einen Schritt, so kann der Optimierungsprozess bei maximaler Drehzahl neu gestartet werden. Außerdem kann die Ventilstellung kurz vor der Drehzahlschwelle, bei der die Durchflussbedingung des Algorithmus nicht mehr wahr ist, oder kurz vor dem Erreichen der minimalen Drehzahl, falls die Durchflussbedingung weiterhin wahr ist, allein oder zusammen mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale optimiert werden.Embodiments of the present invention may include one or more of the following features. Once the valve with PID control has reached its static normal state, a calculated flow value may be acquired and the current flow value obtained after the frequency (speed) of the frequency converter drive has dropped to be compared. In pressure control applications, the valve position can be optimized if the current flow is within 90-110% of the pump's optimum flow at current speed. A final check may be made on a wide open control valve by increasing the pump speed by a set amount and comparing the current flow value with a stored flow value; if the flow does not increase, the valve position is optimized. If the regulator already has its has reached the optimized state and either the actual engine torque increases by 5% or more, or the actual flow increases by more than 5% or more than the delay time, the valve optimization process can be restarted at maximum speed. Alternatively, if the regulator has already reached its optimized state and either the actual engine torque decreases by 5% or more, or the actual flow rate decreases by 5% or more, the valve optimization process may be restarted at the current operating point. A user-selectable, secondary test on a wide-open valve may be made whether a change in actual engine torque is 2% or more but less than 5% of the optimized state for the duration of the response delay; if this condition is true and the actual flow is greater than the optimized flow value after a one-step change in the speed, the optimization process can be restarted at maximum speed. In addition, the valve position may be optimized just before the speed threshold at which the flow condition of the algorithm is no longer true, or just before reaching the minimum speed if the flow condition is still true, alone or in conjunction with at least one of the aforementioned features.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Abb. 3: Regler
Beispielhaft kann die Funktionalität der Module
Der Regler
Motor
Motor
Realisierungrealization
Es gibt heute viele Prozesse mit drehzahlfesten Kreiselpumpen, die mit Regelventilen in Kombination mit einem PID-Regler arbeiten. In dieser Anordnung wird ein Regelventil gedrosselt, um unter Verwendung von Rückführsignalen aus einem externen Prozesstransmitter und einer PID-Logik in einem DCS (verteilten Steuersystem), einer PLC speicherprogrammierbaren Steuerung) oder einem sonstigen Schleifensteuerungsgerät den Prozesssollwert aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen ist die Pumpe zu groß bemessen, und die Kosten der Ventildrosselung können unter dem Gesichtspunkt des Energieverbrauchs hoch sein. Wird eine drehzahlfeste Pumpe weiter entfernt von ihrem optimalen Durchfluss betrieben, so steigen außerdem die auf sie wirkenden radialen und axialen Lasten. Die erhöhten Lasten können die Standzeit der Lager und Dichtungen beeinträchtigen und sind dazu angetan, die Zuverlässigkeit des Systems zu mindern, was zu ungeplanter Wartung der Einrichtung führen kann. Zu den Kosten in Verbindung mit ungeplanter Wartung gehören die Reparatur der Einrichtung, Produktionsunterbrechungen und/oder Kosten für die Beseitigung von Umweltverschmutzungen.Today there are many processes with variable speed centrifugal pumps that work with control valves in combination with a PID controller. In this arrangement, a control valve is throttled to maintain the process setpoint using feedback signals from an external process transmitter and PID logic in a DCS (Distributed Control System), PLC Programmable Logic Controller) or other loop control device. In many cases the pump is over-sized and the cost of valve throttling can be high from an energy consumption point of view. In addition, when a variable speed pump is operated away from its optimum flow, the radial and axial loads acting on it increase. The increased loads may affect the service life of the bearings and seals and are likely to reduce the reliability of the system, which may lead to unplanned maintenance of the device. Costs associated with unplanned maintenance include equipment repair, production stoppages, and / or environmental remediation costs.
Es ist deshalb vorteilhaft, ein System zu betreiben, bei dem die Pumpendrehzahl so gesenkt werden kann, dass Ventildrosselungen minimiert werden und die Pumpe möglichst nahe bei ihrem optimalen Durchfluss arbeiten kann.It is therefore advantageous to operate a system in which the pump speed can be lowered so that valve throttling is minimized and the pump can operate as close to its optimum flow rate as possible.
Viele Benutzer wünschen zwar die Vorteile niedrigerer Betriebskosten und einer höheren Zuverlässigkeit des Systems, wollen aber weder Änderungen an ihrer Steuerlogik vornehmen noch externe Eingangsgrößen vorsehen. Diese Erfindung löst dies durch die Verwendung eines drehzahlveränderlichen Antriebes (VFD) und einer Steuerlogik im Bestreben, sowohl die Pumpendrehzahl als auch die Stellung des Regelventils zu optimieren, ohne dass Änderungen an der externen Steuerlogik am Regelventil nötig sind. Mit ihr wird außerdem angestrebt, dies ohne die Verwendung externer Eingangsgrößen zu leisten. Die Logik ist wie folgt:
Zu den VFD-Eingangsgrößen in die Logik gehören:
- – Maximale Pumpendrehzahl,
- – Minimale Pumpendrehzahl,
- – Motordrehmoment und
- – Motorleistung.
The VFD inputs to the logic include:
- - maximum pump speed,
- - minimum pump speed,
- - Motor torque and
- - engine power.
In einer Form arbeitet die Logik mit berechneten Durchflussdaten, die aus verschiedenen Pumpen- und Motorparametern wie Drehzahl, Drehmoment oder Leistung oder aus kalibrierten Durchflusskurven, die in einem Auswertungsgerät gespeichert sind, mathematisch bestimmt werden können. In der Praxis jedoch könnte bei dieser Logik ein beliebiger Antriebsparameter verwendet werden, der eine direkte oder halbdirekte Beziehung zum Pumpendurchfluss hat. Hinzu kommt, dass zwar bei dieser Logik die Funktionalität ohne jedes externe Prozesssignal im Vordergrund steht, aber auch eine direkte Messung des Durchflusses (an einem Durchflussmesser) möglich ist. Die Logik kann entweder in einen Frequenzumrichterantrieb (VFD) oder in eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) eingebettet werden.In one form, the logic operates with calculated flow data that can be mathematically determined from various pump and motor parameters such as speed, torque, or power, or from calibrated flow curves stored in an evaluation device. In practice, however, this logic could use any drive parameter that has a direct or semi-direct relationship to pump flow. In addition, while the functionality is without any external process signal in the foreground in this logic, but also a direct measurement of the flow (on a flow meter) is possible. The logic can be embedded in either a frequency converter drive (VFD) or a programmable logic controller (PLC).
Im Ventiloptimierungsprozess gibt es drei Schritte wie folgt:
Schritt 1 – Das Pumpensystem wird gestartet und fährt bis zur maximalen Drehzahl hoch. Eine Prüfung wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Pumpe nicht mit Nulldurchfluss arbeitet – ein möglicherweise gefährlicher Zustand. Arbeitet sie mit Nulldurchfluss, so kann der Benutzer wählen, ob die Einheit gestört geschaltet (stillgesetzt) werden soll oder dem Bediener eine Warnung gesendet werden soll. Wenn der Durchfluss hergestellt ist, geht der Prozess, nachdem er eine Minute auf ein Ansprechen des Ventils mit PID-Regelung gewartet hat, zum nächsten Schritt über.Schritt 2 – Der Ventiloptimierungsprozess beginnt, sobald das Ventil mit PID-Regelung nach Ablauf der einminütigen Verzögerung den Sollwert bei der maximalen Pumpendrehzahleinstellung erreicht hat. Der aktuelle Durchflusswert wird als Q1 abgespeichert. Anschließend wird die Pumpe um einen benutzereinstellbaren Drehzahlschritt mit einer benutzereinstellbaren Rampensteigung allmählich verlangsamt. Sobald eine (benutzereinstellbare) Ansprechverzögerung abgelaufen ist, um dem Regelventil Zeit zum Wiederherstellen des Sollwerts zu geben, wird in einer Prüfung der aktuelle Durchfluss mit Q1 verglichen. Ist der Durchfluss unverändert (nur konstanter Durchfluss) oder hat er sich erhöht oder ist er gleich (nur konstanter Druck), so wird die Senkung der Drehzahl iterativ fortgesetzt, bis entweder die minimale Pumpendrehzahl erreicht ist oder der Durchfluss gesunken ist (nur konstanter Durchfluss). Ist der Durchfluss gesunken, so erhöht die Logik die Drehzahl leicht um einen halben Drehzahlschritt, bis der aktuelle Durchfluss größer oder gleich dem Durchfluss Q1 ist, bevor der Prozess zu Schritt 3 übergeht. Dies ist wichtig in Anwendungen mit hohen statischen Förderhöhen. Bei Druckregelungsanwendungen wird geprüft, ob der tatsächliche Durchflussim Bereich von 90–110% des optimalen Durchflusses liegt, der Durchflusswert kleiner als Q1 ist oder die minimale Drehzahl erreicht ist, bevor der Prozess zu Schritt 3 übergeht.Schritt 3 – DerZweck von Schritt 3 ist sicherzustellen, dass das Regelventil nicht weit geöffnet ist. Wird bei dieser Bedingung „grünes Licht” gegeben, so werden Pumpendrehzahl und Ventilstellung als optimiert betrachtet. Dauert eine Änderung des Motordrehmoments oder des Durchflusses >= +5% über die optimierten Werte länger als die Ansprechverzögerung, so wird daraus geschlossen, dass eine Erhöhung des Sollwerts eingetreten ist, und der Ventiloptimierungsprozess wird bei der maximalen Drehzahl neu gestartet. Beträgt die Änderung des Motordrehmoments oder des Durchflusses ≥ –5% des optimierten Drehmoments bzw. Durchflusses, so wird daraus geschlossen, dass der Sollwert gesenkt worden ist, und der Ventiloptimierungsprozess beginnt beiSchritt 2. Bei bestimmten Anwendungen kann ein Benutzer den Sollwert erhöhen, wenn das Regelventil bereits nahezu geöffnet ist. Dies darf nicht zu einer gleichzeitigen Änderung des Motordrehmoments von >= 5% führen. Für diese Bedingung ist ein benutzerwählbares Merkmal vorhanden, mit dem für einen Ventilzustand „weit geöffnet” geprüft wird, ob eine Änderung des Motordrehmoments >= +2% (aber weniger als 5%) vorliegt.
- Step 1 - The pump system starts and ramps up to the maximum speed. A check is made to ensure that the pump is not operating at zero flow - a potentially dangerous condition. If it operates at zero flow, the user can choose to have the unit malfunctioned (shut down) or to send a warning to the operator. When flow is established, after waiting one minute for the valve to respond to PID control, the process moves to the next step.
- Step 2 - The valve optimization process begins as soon as the valve with PID control reaches the setpoint at the maximum pump speed setting after the one-minute delay has elapsed. The current flow value is stored as Q1. Subsequently, the pump is gradually slowed down by a user adjustable speed step with a user adjustable ramp pitch. Once a (user settable) response delay has elapsed to allow the control valve time to recover the setpoint, a test compares the current flow with Q1. If the flow is unchanged (constant flow only) or has increased or is the same (constant pressure only), then the reduction in the speed is continued iteratively until either the minimum pump speed has been reached or the flow has dropped (only constant flow) , If the flow has dropped, the logic slightly increases the speed by half a speed step until the current flow is greater than or equal to the flow Q1 before proceeding to step 3. This is important in applications with high static heads. For pressure control applications, it is checked if the actual flow is in the range of 90-110% of the optimum flow, the flow value is less than Q1, or the minimum speed is reached before the process goes to step 3.
- Step 3 - The purpose of
step 3 is to ensure that the control valve is not wide open. If "green light" is given in this condition, the pump speed and valve position are considered optimized. If a change in engine torque or flow> = + 5% over the optimized values lasts longer than the response delay, it is concluded that an increase in the target value has occurred and the valve optimization process is restarted at the maximum rotational speed. If the change in engine torque or flow is ≥ -5% of the optimized torque or flow, it is concluded that the setpoint has been decreased and the valve optimization process begins atstep 2. In certain applications, a user may increase the setpoint if the control valve is already almost open. This must not lead to a simultaneous change of the motor torque of> = 5%. For this condition, a user-selectable feature is provided to check for a "wide open" valve condition whether there is a change in engine torque> = + 2% (but less than 5%).
Es sollte beachtet werden, dass in der hier vorgestellten Logik zwar berechnete Durchflusswerte verwendet worden sind, aber anstelle des Durchflusses auch Werte von Drehmoment oder Leistung eingesetzt werden könnten. Die Logik prüft über den berechneten Durchflusswert ständig auf Trockenlauf-, Minimaldurchfluss- (Durchfluss zu niedrig) oder Auslaufbedingungen (Durchfluss zu hoch) und warnt dann entweder den Benutzer oder schaltet die Einheit ab und gestört oder setzt die Störung automatisch zurück und startet die Einheit neu (wenn sie so konfiguriert ist) über die Pumpenschutzlogik, gezeigt in der vorläufigen Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 60/780,529 (05GI002/911-2.22-1), eingereicht am 8. März 2006, sowie der entsprechenden regulären Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 11/601,373 (05GI002/911-2.22-2), eingereicht am 17. November 2006, welche beide durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.It should be noted that although the calculated flow values have been used in the logic presented here, values of torque or power could be substituted for the flow. The logic constantly checks for the calculated flow value for dry run, minimum flow (flow too low), or run out conditions (flow too high) and then either warns the user or shuts down the unit and malfunctions or automatically resets the fault and restarts the unit (if so configured) about the pump protection logic shown in provisional patent application Serial No. 60 / 780,529 (05GI002 / 911-2.22-1), filed on Mar. 8, 2006, and the corresponding regular patent application, Serial No. 11 / 601,373 (05GI002 / 911-2.22-2), filed Nov. 17, 2006, both of which are incorporated by reference in their entirety.
WEITERE EINSATZMÖGLICHKEITENOTHER APPLICATIONS
Bestehende Systeme, die mit einer Regelventillogik arbeiten, in welcher der Sollwert durch Ventildrosselung erreicht wird, normalerweise bei einer festen Motordrehzahl. Diese in einen VFD oder eine PLC eingebettete Logik würde die Optimierung der Pumpendrehzahl und der Regelventilstellung ermöglichen, um die Betriebskosten zu senken und die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.Existing systems that operate with a control valve logic in which the setpoint is achieved by valve throttling, usually at a fixed engine speed. This logic, embedded in a VFD or PLC, would allow optimization of pump speed and control valve position to reduce operating costs and increase system reliability.
Umfang der ErfindungScope of the invention
Es sollte klar sein, dass, wenn hier nichts anderes gesagt wird, jede(s) der Merkmale, Kennzeichen, Alternativen oder Modifikationen, die in Bezug auf ein bestimmtes, hier genanntes Ausführungsbeispiel beschrieben werden, auch mit jedem anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispiel angewendet, eingesetzt oder darin einbezogen werden kann. Außerdem sind die Zeichnungen in diesem Dokument nicht maßstabsgerecht.It should be understood that unless otherwise stated herein, any of the features, characteristics, alternatives, or modifications described with respect to a particular embodiment set forth herein are also applied to any other embodiment described herein or can be included therein. In addition, the drawings in this document are not to scale.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beschrieben und illustriert worden ist, können die vorgenannten oder verschiedene andere Zusätze und Auslassungen daran vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described and illustrated with respect to exemplary embodiments thereof, the foregoing or various other additions and omissions may be made thereto without departing from the spirit and scope of the present invention.
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